第八章 卧式车床数控化改造设计

杭州电子科技大学机械工程学院第八章卧式车床数控化改造设计1设计任务2总体方案的确定

引言第八章卧式车床数控化改造设计3具体设计一、引言普通车床（如C616/C6132、C618/C6136、C620/C6140、C630等）是金属切削加工最常用的一类机床。当工件随主轴回转时，通过刀架的纵向和横向移动，能加工出内外圆柱面、圆锥面、端面、螺纹面等，借助成型刀具，还能加工各种成形回转表面。图C6140普通车床的结构布局1-床脚

2-挂轮

3-进给箱

4-主轴箱

5-纵溜板

6-溜板箱

7-横溜板8-刀架

9-上溜板

10-尾座

11-丝杠

12-光杠13-床身普通车床刀架的纵向和横向进给运动，是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杆或丝杆带动溜板箱、纵溜板以及横溜板产生移动。进给参数依靠手工调整，改变参数时需要停车。刀架的纵向进给和横向进给不能联动，切削次序需要人工控制。

卧式车床数控化改造设计对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；将手动刀架换成能自动换刀的电动刀架。

卧式车床数控化改造设计题目：C6140普通车床数控化改造设计

任务：将一台C6140普通车床改造成经济型数控车床。一、设计任务一、设计任务主要技术指标如下：（1）床身上最大加工直径400mm；

（2）最大加工长度1000mm；

（3）X方向(横向)的脉冲当量δx=0.005mm/脉冲,

Z方向(纵向)δz=0.01mm/脉冲；

（4）X方向最快移动速度vxmax=3000mm/min，Z方向为vzmax=6000mm/min；

（5）X方向最快工进速度vxmaxf=400mm/min，Z方向为vzmaxf=800mm/min；

（6）X方向定位精度±0.01mm，Z方向±0.02mm（7）可以车削柱面、平面、锥面与球面等；

（8）安装螺纹编码器，可以车削公/英制的直螺纹与

锥螺纹，最大导程为24mm；

（9）安装四工位立式电动刀架，系统控制自动选刀；

（10)自动控制主轴的正转、反转与停止，并可输出

主轴有级变速与无级变速信号；

（11)自动控制冷却泵的启/停；

（12)安装电动卡盘，系统控制工件的夹紧与松开；

（13)纵、横向安装限位开关；

（14)数控系统可与PC机串行通信；

（15)显示界面采用LED数码管，编程采用ISO数控代

码。一、设计任务总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。二、总体方案的确定（1）普通车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。

因此，数控系统应设计成连续控制型。二、总体方案的确定（2）普通车床经数控化改造后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。

因此，进给伺服系统常采用步进电动机的开环控制系统。（3）根据技术指标中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片机作为数控系统的CPU。

MCS-51系列8位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性/价比高等优点。二、总体方案的确定（4）根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等；还要选择步进电动机的驱动电源以及主轴电动机的交流变频器等。二、总体方案的确定

（5）为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。二、总体方案的确定

（6）计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副，且应有消间隙机构。二、总体方案的确定（7）选择四工位自动回转刀架与电动卡盘，选择螺纹编码器等。二、总体方案的确定1．主传动系统的改造方案

三、机械系统的改造设计方案对普通车床进行数控化改造时，一般可保留原有的主传动机构和变速操纵机构，这样可减少机械改造的工作量。主轴的正转、反转和停止可由数控系统来控制。提高车床的自动化程度，需要在加工中自动变换转速，用2～４速的多速电动机代替原有的单速主电动机；当多速电动机仍不能满足要求时，用交流变频器来控制主轴电动机，以实现无级变速（工厂使用情况表明，使用变频器时，若工作频率低于70Hz，原来的电动机可以不更换，但所选变频器的功率应比电动机大）。三、机械系统的改造设计方案采用有级变速时，可选用浙江超力电机有限公司生产的YD系列7.5kW变极多速三相异步电动机，实现2～４档变速；三、机械系统的改造设计方案

采用无级变速时，应加装交流变频器，推荐型号为：F1000-G0075T3B，适配7.5kW电动机，生产厂家为烟台惠丰电子有限公司。为了提高加工效率，工件的夹紧与松开采用电动卡盘，选用呼和浩特机床附件总厂生产的KD11250型电动三爪自定心卡盘。卡盘的夹紧与松开由数控系统发信控制。三、机械系统的改造设计方案2．安装电动卡盘3．换装自动回转刀架

为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架，选用常州市宏达机床数控设备有限公司生产的LD4B-CK6140型四工位立式电动刀架。实现自动换刀需要配置相应的电路，由数控系统完成。

三、机械系统的改造设计方案4．螺纹编码器的安装方案

三、机械系统的改造设计方案螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动。改造后的车床能够加工的最大螺纹导程是24mm，Z向的进给脉冲当量是0.01mm/脉冲，所以螺纹编码器每转一转输出的脉冲数应不少于24mm/（0.01mm/脉冲）=2400脉冲。

考虑到编码器的输出有相位差为90º的A、B相信号，可用A、B异或后获得2400个脉冲（一转内），这样编码器的线数可降到1200线（A、B信号）。另外，为了重复车削同一螺旋槽时不乱扣，编码器还需要输出每转一个的零位脉冲Z。

三、机械系统的改造设计方案

基于上述要求，本例选择螺纹编码器的型号为：ZLF-1200Z-05V0-15-CT。电源电压+5V，每转输出1200个A/B脉冲与1个Z脉冲，信号为电压输出，轴头直径15mm，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。三、机械系统的改造设计方案螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。

同轴安装是指将编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。

异轴安装是指将编码器安装在床头箱的后端，一般尽量装在与主轴同步旋转的输出轴，如果找不到同步轴，可将编码器通过一对传动比为1：1的同步齿形带与主轴联接起来。三、机械系统的改造设计方案需要注意的是：编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性联接，且车床主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。

三、机械系统的改造设计方案5．进给系统的改造与设计方案

三、机械系统的改造设计方案（1）拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找主轴的同步轴，安装螺纹编码器。

（2）拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速箱总成。

（3）拆除溜板箱总成与快走刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座与螺母座托架。

（4）拆除四方刀架与上溜板总成，在横溜板上方安装四工位立式电动刀架。（5）拆除横溜板下的滑动丝杆螺母副，将滑动丝杆靠刻度盘一段（长216mm）锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。

（6）将横向进给步进电动机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上，并与滚珠丝杠的轴头相联。

（7）拆去三杆（丝杆、光杆与操纵杆），更换丝杆的右支承。三、机械系统的改造设计方案纵、横向进给传动部件的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电动机等。以下详细介绍纵向进给机构，横向进给机构与纵向类似，在此从略。四、进给传动部件的计算和选型1．脉冲当量的确定

四、进给传动部件的计算和选型根据设计任务的要求，X方向（横向）的脉冲当量为δx=0.005mm/脉冲，Z方向（纵向）为δz=0.01mm/脉冲。四、进给传动部件的计算和选型2．切削力的计算——纵向车削力的计算

设工件材料为碳素结构钢，σb＝650Mpa；选用刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角kr＝60°，前角γ0＝10°，刃倾角λs＝－5°；切削用量为：背吃刀量ap＝3mm，进给量f=0.6mm/r，切削速度vc＝105m/min。

四、进给传动部件的计算和选型

查表3-1，得：

＝2795，

＝1.0，

＝0.75，

＝－0.15。

查表，得：主偏角Кr的修正系

＝0.94；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。

由经验公式，算得主切削力

＝2673.4N。由经验公式:

:＝1：0.35：0.4，算得纵向进给切削力

＝935.69N，背向力

=1069.36N。四、进给传动部件的计算和选型已知移动部件总重量G=1300N；

车削力

=2673.4N，

=1069.36N，

=935.69N。

四、进给传动部件的计算和选型3．滚珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向）

（1）工作载荷Fm的计算根据=，=，=的对应关系，可得：

=2673.4N，=1069.36N，=935.69N。

选用矩形－三角形组合滑动导轨，查表，取

=1.15，=0.16，

代入Fm＝+,得工作载荷

Fm≈1712N。

四、进给传动部件的计算和选型设车床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度V=0.8m/min，初选丝杠基本导程Ph=6mm，则此时丝杠转速

n=1000V/Ph≈133（

r/min）。

取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数

L0=119.7（单位为：

106r）。

四、进给传动部件的计算和选型（2）最大动载荷FQ的计算查表3-30，取载荷系数fW=1.15，硬度系数fH=1，代入下式，得到最大动载荷：

根据计算出的最大动载荷，查表3-33，选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为40mm，基本导程为6mm，双螺母滚珠总圈数为3×2=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为13200N，满足要求。四、进给传动部件的计算和选型（3）初选型号

将公称直径

=40mm，基本导程

mm，代入λ=arctan[Ph/(πd0

)]，得丝杠螺旋升角λ=244′。将摩擦角

=10′，代入

=tanλ/tan(λ+

)，得传动效率=94.2%。四、进给传动部件的计算和选型（4）传动效率

的计算

采取一端轴向固定，一端简支的方式。固定端采取一对推力角接触球轴承，面对面组配。丝杠加上两端接杆后，左、右支承的中心距离约为a=1497mm；钢的弹性模量

＝2.1Mpa；查表，得滚珠直径

=3.9688mm，算得:

丝杠底径d2=公称直径

－滚珠直径

=36.0312mm，则丝杠截面积

/4=1019.64（mm2）。

四、进给传动部件的计算和选型（5）刚度的验算1）Z向滚珠丝杠副的支承＝()－3，求得单圈滚珠数目

=29；该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为3×2=6，则滚珠总数量

＝29×6=174。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力

=/3≈571N。则，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量

≈0.00117mm。

四、进给传动部件的计算和选型2）根据公式求得单圈滚珠数目因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取=0.000585mm。

3）将以上算出的

和

代入

,求得丝杠总变形量（对应跨度1497mm）0.012555mm=12.555μm。

查表知，4级精度滚珠丝杠任意300mm轴向行程内行程的变动量允许16μm，而对于跨度为1497mm的滚珠丝杠，总的变形量

只有12.555μm，可见丝杠刚度足够。

四、进给传动部件的计算和选型（5）刚度的验算

根据公式计算失稳时的临界载荷Fk。查表，取支承系数

=2；由丝杠底径

=36.0312mm,得截面惯性矩

≈82734.15mm4；压杆稳定安全系数

取3（丝杠卧式水平安装)；滚动螺母至轴向固定处的距离

取最大值1497mm。求得得临界载荷≈51012N，远大于工作载荷

故丝杠不会失稳。

综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。

四、进给传动部件的计算和选型（6）压杆稳定性校核

为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小，传动链中常采用减速传动。本例中，Z向减速箱选用同步带传动。

设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传递的功率

；主动轮转速

和传动比i；传动系统的位置和工作条件等。

根据改造经验，C6140车床Z向步进电动机的最大静转矩通常在15-25N·m之间选择。

今初选电动机型号为130BYG5501，五相混合式，最大静转矩为20N·m，十拍驱动时步距角为0.72º。

四、进给传动部件的计算和选型4.同步带减速箱的设计（纵向）

图6-4130BYG5501步进电动机的运行矩频特性曲线

图130BYG5501步进电机运行矩频特性（1）传动比i的确定

已知电动机的步距角α=0.72º，脉冲当量δz=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ph=6mm。根据公式算得传动比i=1.2。

（2）主动轮最高转速

由Z向拖板的最快移动速度vzmax=6000mm/min，可以算出主动轮最高转速

=（vzmax/δz）×α/360=1200（r/min）。

（3）确定带的设计功率Pd

预选的步进电动机在转速为1200r/min时，对应的步进脉冲频率为：

fmax=1200×360/(60×α)=10000（Hz）。四、进给传动部件的计算和选型查图得，当脉冲频率为10000Hz时，电动机的输出转矩约为3.8N·m，对应的输出功率为

POUT=n×T/9.55=1200×3.8/9.55≈477.5（W）。同步带传递的负载功率应该小于477.5W，今取P=0.32kW，查表取工作情况系数KA=1.2，则求得带的设计功率Pd=KAP=1.2×0.32kW=0.384kW。

（4）选择带型和节距

根据带的设计功率Pd=0.384kW和主动轮最高转速

=1200r/min，查图选择同步带，型号为

XL型，节距

=5.08mm。四、进给传动部件的计算和选型（5）确定小带轮齿数

和小带轮节圆直径

取

=25，则小带轮节圆直径

==40.43mm。

当

达最高转速1200r/min时，同步带的速度为

=2.54（m/s），没有超过XL型带的极限速

度40m/s。四、进给传动部件的计算和选型（7）初选中心距

、带的节线长度

、带的齿数

初选中心距

=1.3（

+）=115.622mm，圆整后取

=120mm.则带的节线长度为

四、进给传动部件的计算和选型（6）确定大带轮齿数

和大带轮节圆直径

大带轮齿

数

==30,节圆直径

=48.51mm。（8）计算实际中心距

实际中心距

（9）校验带与小带轮的啮合齿数

啮合齿数比6大，满足要求。四、进给传动部件的计算和选型（10）计算基准额定功率

式中

——带宽为

的许用工作拉力，查表3-21得

=50.17N；

——带宽为

的单位长度的质量，查表3-21得

=0.022

——同步带的带速，可知=2.54m/s。

算得=0.127kW。四、进给传动部件的计算和选型（11）确定实际所需同步带宽度

≥

式中

—选定型号的基准宽度，查表得

=9.5mm；

—小带轮啮合齿数系数，查表得

=1。

由上式算得

≥25.07mm，再查表选定最接近的带宽

=25.4mm。四、进给传动部件的计算和选型（12）带的工作能力验算

根据公式，计算同步带额定功率P的精确值：

式中，

为齿宽系数=3.068；经计算得

P=0.390kW，而Pd=0.384kW，满足P≥Pd。因此，带的工作能力合格。四、进给传动部件的计算和选型5.步进电动机的计算与选型（纵向）

（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量四、进给传动部件的计算和选型已知：滚珠丝杠的公称直径

=40mm，总长（带接杆)l=1560mm，导程

＝6mm，材料密度

;纵向移动部件总重量G=1300N；同步带减速箱大带轮宽度28mm，节径48.51mm，孔径30mm，轮毂外径42mm，宽度14mm；小带轮宽度28mm，节径40.43mm，孔径19mm，轮毂外径29mm，宽度12mm；传动比i=1.2。查表，可以算得各个零部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：滚珠丝杠的转动惯量

=30.78；拖板折算到丝杠上的转动惯量

=1.21；小带轮的转动惯量

=0.60;大带轮的转动惯量

=1.27。

在设计减速箱时，初选的Z向步进电动机型号为130BYG5501，查表得该型号电动机转子的转动惯量。

则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：

=++（

++）/＝56.7四、进给传动部件的计算和选型表4-1为转动惯量计算表。（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩

分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。

1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩

包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩

，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩

，滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩

。因为滚珠丝杠副传动效率很高，可知，

相对于

和

很小，可以忽略不计。则有：

=+四、进给传动部件的计算和选型考虑Z向传动链的总效率η，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：

式中

nm

——对应Z向空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；

——步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s。

其中：

式中

——Z向空载最快移动速度，任务书指定为

6000mm/min；

α

——Z向步进电动机步距角，为0.72º；

δ

——Z向脉冲当量，本例δ=0.01mm/脉冲。

将以上各值代入，算得nm=1200r/min。四、进给传动部件的计算和选型

设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间

=0.4s，Z向传动链总效率η=0.7。则求得：

2.54（N·m）

可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：

式中

——导轨的摩擦系数，滑动导轨取0.16；

——垂直方向的工作负载，空载时取0；

η——Z向传动链总效率，取0.7。

则得：

0.24（N·m）

最后求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为：

=+=2.78N·m

四、进给传动部件的计算和选型2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩

，

包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf，滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。T0相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有：

=Tt

+Tf

其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt。本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷Ff=935.69N，则有：

1.06（N·m）四、进给传动部件的计算和选型再计算承受最大工作负载（

=2673.4N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：

（N·m）

最后求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩

=Tt

+Tf=1.78N·m

经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩

=max{，

}=2.78N·m四、进给传动部件的计算和选型（3）步进电动机最大静转矩的选定

考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据

来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：

Tjmax

≥4×=4×2.78N·m=11.12N·m

对于前面预选的130BYG5501型步进电动机，查表可知，其最大静转矩Tjmax=20N·m，可见完全满足要求。四、进给传动部件的计算和选型（4）步进电动机的性能校核

1）最快工进速度时电动机输出转矩校核

任务书给定Z向最快工进速度

=800mm/min，脉冲当量δ=0.01mm/脉冲，求出电动机对应的运行频率=800/（60×0.01）≈1333(Hz)。从130BYG5501的运行矩频特性图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩

≈17N·m，远远大于最大工作负载转矩

=1.78N·m，满足要求。四、进给传动部件的计算和选型

2）最快空载移动时电动机输出转矩校核

任务书给定Z向最快空载移动速度

=6000mm/min，求出电动机对应的运行频率

=6000/（60×0.01）=10000(Hz)。查图得，在此频率下，电动机的输出转矩

=3.8N·m，大于快速空载起动时的负载转矩

=2.78N·m，满足要求。四、进给传动部件的计算和选型3）最快空载移动时电动机运行频率校核

最快空载移动速度

=6000mm/min对应的电动机运行频率

=10000Hz。查表可知130BYG5501的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出上限。四、进给传动部件的计算和选型4）起动频率的计算

已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=56.7，电动机转子自身的转动惯量

，

查表可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载起动频率

=1800Hz。则可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为：

=1092Hz四、进给传动部件的计算和选型说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1092Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得很低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。

综上所述，本例中Z向进给系统选用130BYG5501步进电动机，可以满足设计要求。四、进给传动部件的计算和选型6．同步带传递功率的校核

分两种工作情况，分别进行校核。

（1）快速空载起动

电动机从静止到加速至nm=1200r/min，同步带传递的负载转矩Teq1=2.78N·m，传递的功率为P=nm×Teq1/9.55=1200×2.78/9.55≈349.3W

（2）最大工作负载、最快工进速度

带需要传递的最大工作负载转矩Teq2=1.78N·m，任务书给定最快工进速度vmaxf

=800mm/min，对应电动机转速nmaxf

nmaxf=（vmaxf/δz）×α/360=160（r/min）

传递的功率为P

P=nmaxf×Teq2/9.55=160×1.78/9.55≈29.8W

两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率0.39kW。因此，选择的同步带功率合格。四、进给传动部件的计算和选型

在完成滚珠丝杠螺母副、减速箱和步进电动机的计算、选型后，就可以着手绘制进给传动机构的装配图了。在绘制装配图时，需要考虑以下问题：五、绘制进给传动机构的装配图（1）了解原车床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜板、横溜板、刀架等的结构尺寸。

（2）根据载荷特点和支承形式，确定丝杠两端轴承的型号、轴承座的结构以及轴承的预紧和调节方式。

（3）考虑各部件之间的定位、联接和调整方法。例如，应保证丝杠两端支承与螺母座同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座、支承座在安装面上的联接与定位，同步带减速箱的安装与定位，同步带的张紧力调节，步进电动机的联接与定位等。

五、绘制进给传动机构的装配图（4）考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如，丝杠螺母的润滑、防尘防铁屑保护、轴承的润滑及密封、行程限位保护装置等。

（5）在进行各零部件设计时，应注意装配的工艺性，考虑装配的顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。

（6）注意绘制装配图时的一些基本要求。比如，制图标准，视图布置及图形画法要求，重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标注，重要配合尺寸的标注，装配技术要求，标题栏等。五、绘制进给传动机构的装配图根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：

（1）接收键盘数据，控制LED显示；

（2）接收操作面板的开关与按钮信号；

（3）接收车床限位开关信号：

（4）接收螺纹编码器信号；

（5）接收电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；

（6）控制X、Z向步进电动机的驱动器；

（7）控制主轴的正转、反转与停止；

（8）控制多速电动机，实现主轴有级变速；

（9）控制交流变频器，实现主轴无级变速；

（10）控制冷却泵启动/停止；

（11）控制电动卡盘的夹紧与松开；

（12）控制电动刀架的自动选刀；

（13）与PC机的串行通信。六、控制系统硬件电路设计CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52；

由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用作程序存储器，存放系统底层程序；

扩展了一片SRAM芯片6264用作数据存储器，存放用户程序；键盘与LED显示采用8279来管理；

输入/输出口的扩展选用了并行接口8255芯片，一些进/出的信号均做了隔离放大；

模拟电压的输出借助于DAC0832；

与PC机的串行通信经过MAX233芯片。六、控制系统硬件电路设计图

控制系统原理框图

控制系统的操作面板布置如图所示。面板设置了48个微动按键，三个船形开关，一只急停按钮，显示器包括1组数码显示管和7只发光二极管。

图

车床数控系统操作面板布置图六、控制系统硬件电路设计

本例中X向步进电动机的型号为110BYG5802，Z向步进电动机的型号为130BYG5501，生产厂家为常州宝马集团公司。这两种电动机除了外形尺寸、步距角和输出转矩不同外，电气参数基本相同，均为5相混合式，5线输出，电机供电电压DC120～310V，电流5A。这样，两台电动机的驱动电源可用同一型号。在此，选择合肥科林数控科技有限责任公司生产的五相混合式调频调压型步进驱动器，型号为BD5A。它与控制系统的连接如后图所示。七、步进电动机驱动电源的选用

图BD5A驱动器与控制系统的连接七、步进电动机驱动电源的选用1.存储器与I/O芯片地址分配

根据地址译码器U4（74LS138）的连接情况，可以算出主机板中存储器与I/O芯片的地址分配如表所示。八、控制系统的部分软件设计2．控制系统的监控管理程序

系统设有7档功能可以相互切换，分别是“编辑”、“空刀”、“自动”、“手动1”、“手动2”、“手动3”和“回零”。选中某一功能时，对应的指示灯点亮，进入相应的功能处理。控制系统的监控管理程序流程如图所示。

图

系统监控管理程序流程图八、控制系统的部分软件设计B255:MOV DPTR，#3FFFH ；指向8255的控制口地址

MOV A，#10001001B ；PA口输出，PB口输出，PC口输入，均为方式0

MOVX @DPTR，A ；控制字被写入

MOVDPTR，#3FFCH ；指向PA口

MOV A，#0FFH ；预置PA口全“1”

MOVX @DPTR，A ；输出全“1”到PA口

MOV DPTR，#3FFDH ；指向PB口

MOV A，#0FFH ；预置PB口全“1”

MOVX @DPTR，A ；输出全“1”到PB口

RET八、控制系统的部分软件设计3．8255芯片初始化子程序B279: MOV DPTR，#5FFFH ；指向8279控制口地址

MOV A，#0CFH ；清除FIFO与显示RAM命令

MOVX @DPTR，A ；命令字被写入

WAIT: MOVX A，@DPTR ；从8279的控制口读取8279的状态字

JB ACC.7，WAIT；测试显示RAM有没有被清除完毕。只有

状态字的D7=0时，清除才结束

MOV A，#08H ；编码扫描，左入口，16位字符显示，双

键互锁

MOVX @DPTR，A

MOV A，#34H ；分频系数取20

MOVX @DPTR，A

RET八、控制系统的部分软件设计4．8279芯片初始化子程序设显示缓冲区的首地址为6BH，系统在指定的工作状态下，需要显示的字符段码的编码，事先存储在CPU内部RAM的6BH～73H这9个字节中。已知8279的控制口地址为5FFFH，数据口地址为5FFEH，则显示程序如下：八、控制系统的部分软件设计5．8279控制LED显示子程序DIR：

MOV DPTR，#5FFFH ；8279的控制口地址

MOV A，#90H ；写8279显示RAM的命令，

MOVX @DPTR，A；从显示RAM的00H地址开始

写，每写一次，

显示RAM的地

址自动加1

MOV R0，#6BH；显示缓冲区的首地址为6BH

MOV R7，#09H；显示缓冲区的长度为9个字节

MOV DPTR，#5FFEH；8279的数据口地址

DIR0: MOV A，@R0 ；从CPU的RAM中读取显示

段码的编码

ADD A，#05H ；PC与DTAB表格之间的偏移量

MOVC A，@A+PC；查表，取出显示段码

MOVX @DPTR，A；送到8279显示RAM中指定的字节

INC R0 ；写8279的下一个显示RAM

DJNZ R7，DIR0；循环9次，完成9位显示

RET八、控制系统的部分软件设计；

段码

字符

编码

DTAB: DB 6FH ；F 00-01

DB 0DAH

DB 0BEH ；X 02-03

DB 0E7H

DB 0A3H ；Z 04-05

DB 0CBH

DB 0D1H ；U06-07

DB 0D3H

DB 0DCH ；W 08-09

DB 0CEH

DB 0DFH ；

- 0A

DB 21H ；

00B

DB 7BH ；

10C

DB 91H ；

20D

DB 19H ；

30E

DB 4BH ；

40F

DB 0DH ；

510

DB 05H ；

611

DB 69H ；

712

DB 01H ；

813

DB 09H ；

914

DB 20H ；

0. 15

DB 7AH ；

1. 16

DB 90H ；

2. 17

DB 18H ；

3. 18

DB 4AH ；

4. 19

DB 0CH ；

5. 1A

DB 04H ；

6. 1B

DB 68H ；

7. 1C

DB 00H ；

8. 1D

DB 08H ；

9. 1E

...... ；根据系统需要编制字库

当需要显示一组字符时，首先给显示缓冲区的6BH～73H这9个字节赋值，然后调用DIR子程序即可。例如，要显示“X-1234.56”，程序如下：

MOV 6BH，#02H ；“X”的一半

MOV 6CH，#03H ；“X”的另一半

MOV 6DH，#0AH ；-

MOV 6EH，#0CH ；1

MOV 6FH，#0DH ；2

MOV 70H，#0EH ；3

MOV 71H，#19H ；4.

MOV 72H，#10H ；5

MOV 73H，#11H ；6

CALL DIR ；向8279的显示RAM写数

......

显示缓冲区（CPU内部RAM）：

（6BH）（6CH）（6DH）（6EH）（6FH）（70H）（71H）（72H）（73H）

|||||||||

显示字符：

X -1234.56

|||||||||

字符编码：

02H03H0AH0CH0DH0EH19H10H11H6．8279管理键盘子程序

当矩阵键盘有键按下时，8279即向CPU的INT1申请中断，CPU随即执行中断服务程序，从8279的FIFO中读取键值，程序如下：

CLR EX1 ；关CPU的INT1中断

MOV DPTR，#5FFFH ；指向8279控制口地址

MOV A，#01000000B ；准备读8279FIFO的命令

MOVX @DPTR，A ；写入8279控制口

MOV DPTR，#5FFEH ；指向8279数据口地址

MOVX A，@DPTR ；读出键值

CJNE A，#KEY0,NEXT0 ；依次进行判别

JMP _KEY0 ；对应键进行处理

NEXT0: CJNE A，#KEY1，NEXT1

JMP _KEY1

NEXT1: CJNE A，#KEY2，NEXT2

JMP _KEY2

NEXT2: …...八、控制系统的部分软件设计7．D/A电路输出模拟电压程序

当CPU执行写指令时，只要选中7FFFH这个地址，DAC0832与741组成的D/A转换电路即可输出直流电压。程序如下：

MOV DPTR，#7FFFH ；指向DAC0832口地址

MOV A，#DATA ；准备输出的数字量00H～0FFH

MOVX @DPTR，A ；输出直流电压0～10V

8．步进电动机的运动控制程序

步进电动机的运动控制采用的是硬环分，其走步程序包括匀速与升降速两种，详细的设计略。

9．电动刀架的转位控制程序

电动刀架的转位包括控制刀架电动机的正转、反转与停止，以及4个刀位信号的识别。具体程序略。八、控制系统的部分软件设计10．主轴、卡盘与冷却泵的控制程序

车床主轴的控制，就是控制主电动机的正/反/停以及自动变速；电动卡盘需要控制其夹紧与松开；冷却泵需要控制它的启/停。这些程序都非常简单，对于某个动作的控制，只要从输出接口芯片的某个引脚输出一个电平信号即可。

现以主轴正转为例，主轴的正转由8255的PA0来控制，当用低电平信号来控制主轴正转时，程序如下：

MOV DPTR，#3FFCH ；8255PA口地址

MOVX A，@DPTR ；读出PA口锁存器内容

CLR ACC.0 ；修改

MOVX @DPTR，A ；置PA0=0，直流继电器K+闭合，

主轴正转

控制系统的软件还包括两坐标直线和圆弧的插补程序、直螺纹和锥螺纹的插补程序，另外还有串行通信程序等。由于这些软件的设计工作量都比较大，课程设计时一般不要求编制详细的程序清单，但建议设计软件的流程图。八、控制系统的部分软件设计TheendMagneticResonanceImaging磁共振成像发生事件作者或公司磁共振发展史1946发现磁共振现象BlochPurcell1971发现肿瘤的T1、T2时间长Damadian1973做出两个充水试管MR图像Lauterbur1974活鼠的MR图像Lauterbur等1976人体胸部的MR图像Damadian1977初期的全身MR图像

Mallard1980磁共振装置商品化1989

0.15T永磁商用磁共振设备中国安科

2003诺贝尔奖金LauterburMansfierd时间MR成像基本原理实现人体磁共振成像的条件:人体内氢原子核是人体内最多的物质。最易受外加磁场的影响而发生磁共振现象(没有核辐射)有一个稳定的静磁场（磁体）梯度场和射频场：前者用于空间编码和选层，后者施加特定频率的射频脉冲，使之形成磁共振现象信号接收装置：各种线圈计算机系统：完成信号采集、传输、图像重建、后处理等

人体内的H核子可看作是自旋状态下的小星球。自然状态下，H核进动杂乱无章，磁性相互抵消zMyx进入静磁场后，H核磁矩发生规律性排列（正负方向），正负方向的磁矢量相互抵消后，少数正向排列（低能态）的H核合成总磁化矢量M，即为MR信号基础ZZYYXB0XMZMXYA:施加90度RF脉冲前的磁化矢量MzB:施加90度RF脉冲后的磁化矢量Mxy.并以Larmor频率横向施进C:90度脉冲对磁化矢量的作用。即M以螺旋运动的形式倾倒到横向平面ABC在这一过程中，产生能量

三、弛豫（Relaxation）回复“自由”的过程

1.

纵向弛豫（T1弛豫）：

M0（MZ）的恢复，“量变”高能态1H→低能态1H自旋—晶格弛豫、热弛豫

吸收RF光子能量（共振）低能态1H高能态1H

放出能量（光子，MRS）T1弛豫时间：

MZ恢复到M0的2/3所需的时间

T1愈小、M0恢复愈快T2弛豫时间：MXY丧失2/3所需的时间；T2愈大、同相位时间长MXY持续时间愈长MXY与ST1加权成像、T2加权成像

所谓的加权就是“突出”的意思

T1加权成像（T1WI）----突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别

T2加权成像（T2WI）----突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别。

磁共振诊断基于此两种标准图像磁共振常规h检查必扫这两种标准图像.T1的长度在数百至数千毫秒（ms）范围T2值的长度在数十至数千毫秒（ms）范围

在同一个驰豫过程中,T2比T1短得多

如何观看MR图像：首先我们要分清图像上的各种标示。分清扫描序列、扫描部位、扫描层面。正常或异常的所在部位---即在同一层面观察、分析T1、T2加权像上信号改变。绝大部分病变T1WI是低信号、T2WI是高信号改变。只要熟悉扫描部位正常组织结构的信号表现，通常病变与正常组织不会混淆。一般的规律是T1WI看解剖,T2WI看病变。磁共振成像技术－－图像空间分辨力，对比分辨力一、如何确定MRI的来源（一）层面的选择1.MXY产生（1H共振）条件

RF=ω=γB02.梯度磁场Z（GZ）

GZ→B0→ω

不同频率的RF

特定层面1H激励、共振

3.层厚的影响因素

RF的带宽↓

GZ的强度↑层厚↓〈二〉体素信号的确定1、频率编码2、相位编码

M0↑--GZ、RF→相应层面MXY----------GY→沿Y方向1H有不同ω

各1H同相位MXY旋进速度不同同频率一定时间后→→GX→沿X方向1H有不同ω沿Y方向不同1H的MXYMXY旋进频率不同位置不同（相位不同）〈三〉空间定位及傅立叶转换

GZ----某一层面产生MXYGX----MXY旋进频率不同

GY----MXY旋进相位不同（不影响MXY大小）

↓某一层面不同的体素，有不同频率、相位

MRS（FID）第三节、磁共振检查技术检查技术产生图像的序列名产生图像的脉冲序列技术名TRA、COR、SAGT1WT2WSETR、TE…….梯度回波FFE快速自旋回波FSE压脂压水MRA短TR短TE－－T1W长TR长TE－－T2W增强MR最常用的技术是：多层、多回波的SE（spinecho，自旋回波）技术磁共振扫描时间参数：TR、TE磁共振扫描还有许多其他参数：层厚、层距、层数、矩阵等序列常规序列自旋回波（SE）,快速自旋回波（FSE）梯度回波（FE）反转恢复（IR），脂肪抑制（STIR）、水抑制（FLAIR）高级序列水成像（MRCP,MRU,MRM）血管造影（MRA,TOF2D/3D）三维成像（SPGR）弥散成像（DWI）关节运动分析是一种成像技术而非扫描序列自旋回波（SE）必扫序列图像清晰显示解剖结构目前只用于T1加权像快速自旋回波（FSE）必扫序列成像速度快多用于T2加权像梯度回波（GE）成像速度快对出血敏感T2加权像水抑制反转恢复（IR）水抑制（FLAIR）抑制自由水梗塞灶显示清晰判断病灶成份脂肪抑制反转恢复（IR）脂肪抑制（STIR）抑制脂肪信号判断病灶成分其它组织显示更清晰血管造影（MRA）无需造影剂TOF法PC法MIP投影动静脉分开显示水成像（MRCP，MRU，MRM）含水管道系统成像胆道MRCP泌尿路MRU椎管MRM主要用于诊断梗阻扩张超高空间分辨率扫描任意方位重建窄间距重建技术大大提高对小器官、小病灶的诊断能力三维梯度回波（SPGR） 早期诊断脑梗塞

弥散成像MRI的设备一、信号的产生、探测接受1.磁体（Magnet）:静磁场B0（Tesla,T）→组织净磁矩M0

永磁型（permanentmagnet）常导型（resistivemagnet）超导型（superconductingmagnet）磁体屏蔽（magnetshielding）2.梯度线圈（gradientcoil）:

形成X、Y、Z轴的磁场梯度功率、切换率3.射频系统（radio-frequencesystem，RF）

MR信号接收二、信号的处理和图象显示数模转换、计算机，等等；MRI技术的优势1、软组织分辨力强（判断组织特性）2、多方位成像3、流空效应（显示血管）4、无骨骼伪影5、无电离辐射，无碘过敏6、不断有新的成像技术MRI技术的禁忌证和限度1.禁忌证

体内弹片、金属异物各种金属置入：固定假牙、起搏器、血管夹、人造关节、支架等危重病人的生命监护系统、维持系统不能合作病人，早期妊娠，高热及散热障碍2.其他钙化显示相对较差空间分辨较差（体部，较同等CT）费用昂贵多数MR机检查时间较长1.病人必须去除一切金属物品，最好更衣，以免金属物被吸入磁体而影响磁场均匀度，甚或伤及病人。2.扫描过程中病人身体（皮肤）不要直接触碰磁体内壁及各种导线，防止病人灼伤。3.纹身（纹眉）、化妆品、染发等应事先去掉，因其可能会引起灼伤。4.病人应带耳塞，以防听力损伤。扫描注意事项颅脑MRI适应症颅内良恶性占位病变脑血管性疾病梗死、出血、动脉瘤、动静脉畸形（AVM）等颅脑外伤性疾病脑挫裂伤、外伤性颅内血肿等感染性疾病脑脓肿、化脓性脑膜炎、病毒性脑炎、结核等脱髓鞘性或变性类疾病多发性硬化（MS）等先天性畸形胼胝体发育不良、小脑扁桃体下疝畸形等脊柱和脊髓MRI适应证1.肿瘤性病变椎管类肿瘤（髓内、髓外硬膜内、硬膜外），椎骨肿瘤（转移性、原发性）2.炎症性疾病脊椎结核、骨髓炎、椎间盘感染、硬膜外脓肿、